DE102007024598A1

DE102007024598A1 - Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE102007024598A1
Application number: DE200710024598
Authority: DE
Inventors: Andreas Nendel
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Stellvorrichtung (1a, 1b) mit einem zwischen einer eingefahrenen Halteposition und einer ausgefahrenen Arbeitsposition verfahrbaren Aktuatorstift (9) zur Verstellung des Maschinenteils, das eine mit dem Aktuatorstift (9) in dessen Arbeitsposition zusammenwirkende Verschiebenut (8) aufweist, die den Aktuatorstift (9) zurück in dessen Halteposition verlagert, und das insbesondere als auf einer Trägerwelle (3) drehfest und längsverschiebbar angeordnete Nockenstück (4) eines hubvariablen Ventiltriebs (2) einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Die Stellvorrichtung (1a, 1b) weist eine ansteuerbare Halte- und Lösevorrichtung (16a, 16b) zum Halten des Aktuatorstifts (9) in der Halteposition und zum Lösen des Aktuatorstifts (9) aus der Halteposition auf. Dabei soll die Halte- und Lösevorrichtung (16a, 16b) den Aktuatorstift (9) in der Halteposition weiter in Einfahrrichtung verlagern.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung mit einem Gehäuse sowie einem im Gehäuse gelagerten, relativ zum Gehäuse aus einer eingefahrenen Halteposition in eine Arbeitsposition ausfahrbaren und von einem Federmittel in Ausfahrrichtung kraftbeaufschlagten Aktuatorstift zur Verstellung eines mit der Stellvorrichtung zusammenwirkenden Maschinenteils. Dieses weist eine mit einem ersten Ende des Aktuatorstifts in dessen Arbeitsposition zusammenwirkende Verschiebenut auf, die den Aktuatorstift zurück in dessen Halteposition verlagert. Die Stellvorrichtung weist eine ansteuerbare Halte- und Lösevorrichtung zum Halten des Aktuatorstifts in der Halteposition und zum Lösen des Aktuatorstifts aus der Halteposition auf.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Stellvorrichtung geht aus der als gattungsbildend betrachteten WO 03/021612 A1 hervor. Deren Halte- und Lösevorrichtung für den Aktuatorstift basiert auf dem Zusammenspiel eines Elektromagneten mit einem am Aktuatorstift befestigten Permanentmagneten, dessen magnetische Anzie hungskraft den Aktuatorstift entgegen der Kraft des Federmittels in der Halteposition am unbestromten Elektromagneten hält. Zum Lösen des Aktuatorstifts aus der Halteposition ist lediglich eine impulsförmige Strombeaufschlagung des Elektromagneten zur Überwindung der magnetischen Anziehungskraft des Permanentmagneten erforderlich, wobei der Aktuatorstift nicht nur durch die Kraft des Federmittels sondern auch durch die Kraft eines magnetischen Abstoßungseffekts zwischen dem Permanentmagneten und dem bestromten Elektromagneten in Richtung der Arbeitsposition beschleunigt wird.
Eine solche, bei geringer Leistungsaufnahme schnell und zeitlich exakt schaltende Stellvorrichtung eignet sich in besonderem Maße zur Verstellung eines hubvariablen Ventiltriebs, wie er beispielsweise aus der DE 10 2004 021 376 A1 hervorgeht. Die Hubvariabilität des dort vorgeschlagenen Ventiltriebs basiert auf einem als Nockenstück ausgebildeten Maschinenteil mit darauf benachbart angeordneten Nocken, deren unterschiedliche Öffnungsverläufe mittels eines konventionell starr ausgebildeten Nockenfolgers selektiv auf ein Gaswechselventil übertragen werden. Zur betriebspunktabhängigen Einstellung dieser Öffnungsverläufe ist das Nockenstück drehfest, jedoch längsverschieblich auf einer Trägerwelle angeordnet und weist zwei spiralförmig und gegensinnig verlaufende Verschiebenuten auf, in welche die Endabschnitte der Aktuatorstifte zweier Stellvorrichtungen der eingangs genannten Art wechselweise eingekoppelt werden. Während der axiale Verlauf der sich jeweils mit dem zugehörigen Aktuatorstift in Eingriff befindlichen Verschiebenut dazu führt, dass sich das Nockenstück selbststeuernd und nockenwellenwinkeltreu von der einen in die andere Nockenposition verschiebt, ist der radiale Verlauf jeder Verschiebenut so gestaltet, dass diese gegen Ende des Verschiebevorgangs zunehmend flacher wird und den momentan in Eingriff befindlichen Aktuatorstift aktiv aus seiner Arbeitsposition zurück in die Halteposition verlagert.
Obwohl auch diese aktive Rückstellfunktion der Verschiebenuten eine wesentliche Voraussetzung für die geringe Leistungsaufnahme der in der erstzitierten Druckschrift vorgeschlagenen Stellvorrichtung ist, kann das Wirkprinzip von deren Halte- und Lösevorrichtung dennoch mit verschiedenen Nachteilen ver bunden sein. Zu diesen zählt in erster Linie die Größe der zur Erzeugung einer ausreichenden Anziehungskraft erforderlichen Wirkfläche zwischen dem Elektromagneten und dem Permanentmagneten. Die Auslegung der Anziehungskraft/Wirkfläche hat jedoch nicht nur unter dem Gesichtspunkt einer auch unter dynamischen Einflüssen sicheren Haltefunktion des Aktuatorstifts in der Halteposition zu erfolgen. Vielmehr ist die Größe der Anziehungskraft/Wirkfläche auch so zu dimensionieren, dass im unmittelbaren Anschluss an den Verschiebevorgang des Nockenstücks sowohl bei niedrigsten Drehzahlen der Brennkraftmaschine als auch im Grenzfall bei deren Stillstand ein nicht aus Trägheitskräften, sondern lediglich aus der magnetischen Anziehungskraft generierter Resthub des Aktuatorstifts zwischen der dann radial nicht mehr ansteigenden Verschiebenut und der Anschlagsfläche am Elektromagneten gewährleistet werden kann. Diese Forderung, die im Falle ihrer Nichterfüllung zu einem Schleifkontakt des Aktuatorstifts auf dem Nockenstück mit unerwünschtem, anschließenden Zurückfallen des Aktuatorstifts in die Verschiebenut führen würde, wird im Hinblick auf die exponentiell abnehmende, magnetische Fernwirkung des Permanentmagneten durch Bauteiltoleranzen erschwert, die zu einem erheblichen Resthub des Aktuatorstifts im Millimeterbereich führen können. Aufgrund der sich unter diesen Auslegungsgesichtspunkten ergebenden Größe der Wirkfläche zwischen dem Elektromagneten und dem Permanentmagneten besteht im Falle des erläuterten hubvariablen Ventiltriebs stets das erhöhte Risiko, dass die in eine bereits bestehende Architektur der Brennkraftmaschine zu integrierende Stellvorrichtung mit der vorhandenen Umgebungskonstruktion unvereinbar kollidiert.
Die Verwendbarkeit der Stellvorrichtung würde sich insbesondere bei einem hubvariablen Ventiltrieb der gleichen Gattung, wie er in der DE 196 11 641 C1 vorgeschlagen ist, als konstruktiv außerordentlich schwierig erweisen. Denn das dort vorgeschlagene Nockenstück weist drei benachbarte Nocken mit unterschiedlichen Öffnungsverläufen auf und wird durch jeweils ein Paar benachbart angeordneter Stellvorrichtungen in die beiden Verschieberichtungen verlagert. Da jedes Paar der Stellvorrichtungen einen Abstand der Aktuatorstifte entsprechend einer Nockenbreite aufweist und diese unter Berücksichtigung der Freigängigkeit des Nockenstücks zu angrenzenden Nockenwellenlagerstellen vergleichsweise klein zu halten ist, würde es in diesem Einsatzfall zu einer unzulässigen Durchdringung der Stellvorrichtungen im Bereich der Magneten kommen.
Ein weiterer Nachteil der genannten Stellvorrichtung ist deren hoher Herstell- und somit Kostenaufwand, der aus dem bekanntermaßen aufwändigen produktionstechnischen Handling des Permanentmagneten mit seinen magnetischen Eigenschaften resultiert.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die aufgezeigten Nachteile vermieden werden. Demnach soll die Halte- und Lösevorrichtung einen möglichst geringen Mehrbedarf an radialem Bauraum gegenüber dem Aktuatorstift aufweisen und gleichzeitig ein sicheres Halten des Aktuatorstifts innerhalb dessen Resthubs in der Halteposition gewährleisten. Mit anderen Worten soll eine radial möglichst klein bauende Stellvorrichtung geschaffen werden, die den Aktuatorstift sicher und gegenüber der Verschiebenut ausreichend eingriffsfrei in der Halteposition fixiert. Darüber hinaus soll die Stellvorrichtung möglichst einfach und unter Großserienbedingungen kostengünstig herstellbar sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Halte- und Lösevorrichtung zumindest folgende Merkmale aufweist:

– einen in Verfahrrichtung des Aktuatorstifts und von diesem unabhängig verlagerbaren Sperrschieber sowie ein den Sperrschieber in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts kraftbeaufschlagendes weiteres Federmittel;
– eine am Sperrschieber ausgebildete erste Stützfläche;
– eine am Aktuatorstift ausgebildete zweite Stützfläche;
– eine im Gehäuse ausgebildete dritte Stützfläche;
– zumindest einen in der Halteposition des Aktuatorstifts zwischen den Stützflächen und auf diesen beweglich eingespannten Sperrkörper, wobei zwei der Stützflächen derart zur Verfahrrichtung des Aktuatorstifts geneigt sind, dass der Sperrkörper die zweite Stützfläche am Aktuatorstift in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts kraftbeaufschlagt;
– und, zum Lösen des Aktuatorstifts aus der Halteposition, eine ansteuerbare und den Sperrschieber in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts verlagernde Betätigungsvorrichtung.

Demnach weist die erfindungsgemäße Stellvorrichtung eine Halte- und Lösevorrichtung auf, die den Aktuatorstift nicht über magnetische Anziehungskräfte mit entsprechend großer Wirkfläche gemäß dem zitierten Stand der Technik, sondern durch Klemmwirkung entgegen der Kraft des den Aktuatorstift in Ausfahrrichtung beaufschlagenden Federmittels in der Halteposition fixiert. Der radiale Bauraumbedarf der Halte- und Lösevorrichtung ist vergleichsweise klein, da die erforderliche Haltekraft des Aktuatorstifts hier als Klemmkraft zwischen den Stützflächen und dem Klemmkörper erzeugt wird und eine gegenüber einer magnetischen Wirkfläche erheblich kleinere Kontaktfläche erfordert. Die durch eine derartige Halte- und Lösevorrichtung erzeugte Klemmwirkung verhindert einerseits ein unkontrolliertes Zurückfahren des Aktuatorstifts aus der Halteposition in Richtung der Arbeitsposition, so dass der Aktuatorstift das Maschinenteil bzw. das Nockenstück unmittelbar nach Verlassen der Verschiebenut ungünstigstenfalls schleifend kontaktiert, ohne jedoch während nachfolgender Arbeitsspiele in die Verschiebenut zurückzufallen und, mechanisch und akustisch ungünstig, erneut aus dieser herausgedrückt zu werden.
Von diesem Grenzfall abgesehen, ergibt sich eine besondere Wirkung der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung grundsätzlich jedoch dadurch, dass der Sperrkörper in der Halteposition des Aktuatorstifts auf den Stützflächen beweglich eingespannt ist und aufgrund der Neigung der Stützflächen den Aktuatorstift in dessen Einfahrrichtung kraftbeaufschlagt. In Abhängigkeit der Reibungsverhältnisse zwischen dem Klemmkörper und den Stützflächen einerseits und den gewählten Federkräften des Federmittels und des weiteren Federmittels andererseits kann dies zu einem intermittierenden oder kontinuierlichen selbsttätigen weiteren Einfahren des Aktuatorstifts in der Halteposition führen, während sich gleichzeitig der Sperrschieber in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts verlagert. Vereinfacht gesagt bedeutet dies, dass die Halte- und Lösevorrichtung den Aktuatorstift über den vom radialen Verlauf der Verschiebenut erzeugten Einfahrhub hinaus und entgegen der Kraft des ihn beaufschlagenden Federmittels weiter in Einfahrrichtung zieht. Folglich handelt es sich bei der Halteposition genau genommen auch nicht um eine fest vorgegebene Position des Aktuatorstifts, sondern vielmehr um einen Aufenthaltsbereich, in dem der Aktuatorstift im oben genannten Grenzfall das Maschinenteil bzw. das Nockenstück gerade schleifend kontaktiert, ohne jedoch in Eingriff mit der Verschiebenut zu gelangen, und ansonsten mit mehr oder weniger großem Sicherheitsabstand zum Maschinenteil bzw. zum Nockenstück gehalten wird.
Das vorgenannte intermittierende Einfahren des Aktuatorstifts kann bei entsprechender Konstellation der Reibungsverhältnisse und der Federkräfte durch schwingungsbedingte Massenwirkungen am Aktuatorstift hervorgerufen werden, wobei die Halte- und Lösevorrichtung ähnlich wie ein Freilauf den Aktuatorstift in Ausfahrrichtung sperrt und in Einfahrrichtung freigibt. Diese Eigenschaft führt auch dazu, dass der Aktuatorstift aufgrund von Rundlauffehlern an dem sich an die Verschiebenut anschließenden Abschnitt des Maschinenteils bzw. des Nockenstücks weiter in Einfahrrichtung verlagert und dort gehalten wird.
Demgegenüber ist ein kontinuierliches weiteres Einfahren des Aktuatorstifts insbesondere dann zu erwarten, wenn bei sehr kleinen Reibkräften die Kraft des weiteren Federmittels deutlich größer als die Kraft des Federmittels ist und sich der auf den Stützflächen abgleitende und/oder abwälzende Sperrkörper gemeinsam mit dem Aktuatorstift widerstandsarm weiter in Einfahrrichtung verlagern kann.
Da die von der Betätigungsvorrichtung aufzubringende Lösekraft am Sperrschieber deutlich kleiner als die erzeugbare Klemmkraft am Aktuatorstift ist, kann neben der Halte- und Lösevorrichtung auch die Betätigungsvorrichtung weitestgehend unabhängig von ihrem physikalischen Wirkprinzip radial sehr kleinbauend ausgeführt werden.
Um ein vollständiges Einfahren des Aktuatorstifts in der Halteposition bis zu den mechanisch vorgegebenen Anschlagsgrenzen der Stellvorrichtung zu ermöglichen, ist es in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in der Halteposition die Kraft des weiteren Federmittels stets größer als die Kraft des Federmittels ist.
Wie es auch anhand eines später erläuterten Ausführungsbeispiels der Erfindung deutlich wird, ist außerdem ein Hubumkehrverhältnis h_A/h_S von 0,5 bis 1 vorgesehen, wobei h_A der Hub des Aktuatorstifts in dessen Einfahrrichtung und h_S der Hub des Sperrschiebers in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts jeweils in der Halteposition des Aktuatorstifts sind. Das Hubumkehrverhältnis ist von der Neigungsgröße und -differenz der beiden Stützflächen abhängig, die so mit dem Sperrkörper zusammenwirken, dass dieser die Stützfläche am Aktuatorstift in dessen Einfahrrichtung kraftbeaufschlagt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll der Sperrkörper als Kugel ausgebildet sein, wie sie als extrem kostengünstiges Massenprodukt einer Wälzkörperfertigung entnehmbar ist.
Weiterhin ist es ebenfalls im Hinblick auf eine kostengünstige Herstellbarkeit der Stellvorrichtung vorgesehen, dass zumindest eine der Stützflächen rotationssymmetrisch zur Verfahrrichtung des Aktuatorstifts ausgebildet ist. Abweichend hiervon besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Stützflächen mit Laufbahnen für den Klemmkörper auszustatten, wobei es sich im Falle der Kugel beispielsweise um eine Rille mit kreissegmentförmigem Querschnitt handeln könnte. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass die am Sperrschie ber und am Aktuatorstift sowie im Gehäuse ausgebildeten Stützflächen selbstverständlich nicht unmittelbar an diesen Bauteilen verlaufen müssen, sondern auch Oberflächen von separaten Bauteilen, wie Ringe oder Buchsen, sein können, die am Sperrschieber, am Aktuatorstift bzw. im Gehäuse angebracht sind.
In einer besonders bevorzugten Fortbildung der Erfindung soll die Betätigungsvorrichtung als Elektrohubmagnet mit einem den Sperrschieber betätigenden Anker ausgebildet sein. Obwohl die Betätigungsvorrichtung auch auf anderen bekannten, beispielsweise hydraulischen oder pneumatischen Wirkprinzipien basieren kann, lässt sich der elektromagnetisch angesteuerte Sperrschieber zeitlich besonders schnell und mit hoher Präzision betätigen. Im Hinblick auf niedrige Herstellkosten können dabei auch der Sperrschieber und der Anker zu einem einstückigen Bauteil zusammengefasst sein. In diesem Fall können unterschiedlichen mechanischen und elektromagnetischen Anforderungen an die Bauteilbeschaffenheit beispielsweise durch angepasste Werkstoffauswahl mit einer ggf. erforderlichen, verschleißresistenten Oberflächenbeschichtung Rechnung getragen werden.
In einer kinematischen Ausführungsform der Erfindung soll in der Halteposition des Aktuatorstifts der Sperrschieber den Aktuatorstift an seinem zweiten Ende umgreifen, wobei die erste Stützfläche am Sperrschieber und die zweite Stützfläche am Aktuatorstift einen sich in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts vergrößernden Abstand aufweisen.
In einer kinematisch alternativen Ausführungsform sollen in der Halteposition des Aktuatorstifts der als zylindrischer Stift ausgebildete Sperrschieber in einer am zweiten Ende des Aktuatorstifts verlaufenden Längsbohrung und der Sperrkörper in einer die Längsbohrung schneidenden und die zweite Stützfläche bildenden Querbohrung angeordnet sein. In diesem Fall weisen die erste Stützfläche am Sperrschieber und die dritte Stützfläche im Gehäuse einen sich in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts vergrößernden Abstand auf.
Zweckmäßigerweise sind dabei drei als Kugeln ausgebildete Sperrkörper und drei gleichmäßig über den Umfang des Aktuatorstifts verteilte Querbohrungen, in denen die Kugeln angeordnet sind, vorgesehen. Diese Anordnung ist gegenüber lediglich einer Kugel zum einen deshalb vorteilhaft, da entweder bei identischem Kugeldurchmesser größere Klemmkräfte erzeugbar sind oder bei kleinerem Kugeldurchmesser – entsprechend einem weiterhin reduzierten Bauraumbedarf der Halte- und Lösevorrichtung – die ggf. bereits ausreichende Klemmkraft nur einer Kugel erzeugbar ist. Zum anderen führt die Anordnung der um 120° verteilten Kugeln zu einer mechanisch günstigen, zentrierten Abstützung des Sperrschiebers in der Längsbohrung des Aktuatorstifts.
Außerdem sollen das als äußere Schraubendruckfeder ausgebildete Federmittel und das als innere Schraubendruckfeder ausgebildete weitere Federmittel konzentrisch zueinander angeordnet sein, wobei die äußere Schraubendruckfeder auf einer stirnseitig des zweiten Endes des Aktuatorstifts angeordneten Gleitscheibe und die innere Schraubendruckfeder seitens des Aktuatorstifts auf einem fest mit dem zylindrischen Stift verbundenen Axialbund jeweils einenends abgestützt sind. Die Gleitscheibe dient der rotativen Entkopplung des Aktuatorstifts und der zugehörigen Schraubendruckfeder, so dass die Übertragung einer Drehbewegung des Aktuatorstifts, welche durch dessen Reibkontakt an der Verschiebenut hervorgerufen werden kann, auf die äußere Schraubendruckfeder verhindert und diese im Hinblick auf ihre Dauerfestigkeit nicht unzulässig verdrillt wird. Eine entsprechende rotative Entkopplung des zylindrischen Stifts und der zugehörigen inneren Schraubendruckfeder mittels entsprechend guter Gleiteigenschaften des Axialbunds kann jedoch ebenfalls zweckmäßig sein. Dies ist dann der Fall, wenn die Rotation des Aktuatorstifts durch Reibung in der Längsbohrung auf den zylindrischen Stift mit seinem Axialbund übertragen und – ohne weitere Maßnahmen – ebenfalls zu einer unzulässigen Verdrillung der inneren Schraubendruckfeder führen würde.
Ferner soll die dritte Stützfläche im Gehäuse in einen Axialabsatz mit einer im wesentlichen parallel zur Gleitscheibe verlaufenden Ringstirnfläche übergehen. Diese dient als Endanschlag für die Gleitscheibe bei ausgefahrenem Aktuatorstift.
Eine unzulässige Verdrillung der Schraubendruckfedern soll ferner auch dadurch verhindert werden, dass die Schraubendruckfedern jeweils anderenends auf einer gehäusefesten weiteren Gleitscheibe gemeinsam abgestützt sind. Im Falle der als Elektrohubmagnet ausgebildeten Betätigungsvorrichtung kann dabei ein zwischen der weiteren Gleitscheibe und dem Anker angeordneter Ring aus amagnetischem Werkstoff vorgesehen sein. Die Funktion dieses Rings besteht darin, die magnetischen Feldlinien des bestromten Elektrohubmagneten so zu leiten, dass der Anker stets in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts angezogen wird.
Sofern es möglich und zweckmäßig ist, sollen die vorgenannten Merkmale und Ausgestaltungen auch beliebig miteinander kombinierbar sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung teilweise vereinfacht dargestellt sind. Sofern es nicht anders erwähnt ist, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung im Längsschnitt mit Aktuatorstift in der Halteposition,
2 ein mit der Stellvorrichtung zusammenwirkender hubvariabler Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine in perspektivischer Darstellung,
3 den Querschnitt I-I gemäß 1,
4 eine vergrößerte Detailansicht aus 1 bei maximal ausgefahrenem Aktuatorstift in der Halteposition,
5 die Detailansicht gemäß 4 bei maximal eingefahrenem Aktuatorstift in der Halteposition,
6 die Stellvorrichtung gemäß 1 bei freigegebenem Sperrschieber,
7 die Stellvorrichtung gemäß 6 mit Aktuatorstift in der Arbeitsposition und
8 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung in stark vereinfachter Längsschnittdarstellung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 1a offenbart, die zur Ansteuerung eines an sich bekannten und in 2 dargestellten hubvariablen Ventiltriebs 2 einer Brennkraftmaschine dient. Das grundlegende Funktionsprinzip eines solchen Ventiltriebs 2 geht beispielsweise aus den eingangs zitierten Druckschriften DE 196 11 641 C1 und DE 10 2004 021 376 A1 hervor und lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass anstelle einer konventionell starr ausgebildeten Nockenwelle eine Trägerwelle 3 mit einem darauf drehfest und längs verschiebbar angeordneten Nockenstück 4 vorgesehen ist. Das Nockenstück 4 weist zwei Gruppen axial benachbarter Nocken 5 und 6 mit unterschiedlichen Öffnungsverläufen auf, welche zur betriebspunktabhängigen Betätigung von Gaswechselventilen 7 dienen. Die zur selektiven Aktivierung des jeweiligen Nockens 5 oder 6 erforderliche Verschiebung des Nockenstücks 4 auf der Trägerwelle 3 erfolgt über spiralförmige Verschiebenuten 8 am Nockenstück 4, die sich entsprechend der Verschieberichtung in ihrer Orientierung unterscheiden und in die, je nach momentaner Stellung des Nockenstücks 4, ein Aktuatorstift 9 mit seinem ersten Ende 10 einkoppelbar ist.
Ausgehend von der in 1 gezeigten ersten Schaltstellung der Stellvorrichtung 1a, in welcher sich der Aktuatorstift 9 in seiner eingefahrenen Halteposition befindet, erfolgt das Einkoppeln des Aktuatorstifts 9 in die Verschiebenut 8 durch Ausfahren des Aktuatorstifts 9 in dessen Arbeitsposition. Es ist deutlich erkennbar, dass die Verschiebenuten 8 nicht nur eine axiale Erhebung zum Verschieben des Nockenstücks 4 auf der Trägerwelle 3, sondern auch einen radial wirkenden Auslaufbereich 11 aufweisen, dessen Erhebung den Aktuatorstift 9 gegen Ende des Verschiebevorgangs zurück in seine Halteposition verlagert. Wie bereits eingangs erwähnt, handelt es sich bei der Halteposition um einen Aufenthaltsbereich des Aktuatorstifts 9, der nach Verlassen der Verschiebenut einen sich an den Auslaufbereich 11 anschließenden Zylinderflächenabschnitt 12 ungünstigstenfalls schleifend kontaktieren würde, ohne jedoch erneut in die Verschiebenut 8 zurückzufallen, und ansonsten mit Abstand zum Nockenstück in der Halteposition gehalten wird.
Diese Eigenschaft ergibt sich aus dem nachfolgend im Detail erläuterten Aufbau der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 1a. Diese umfasst ein lang gestrecktes zylindrisches Gehäuse 13 mit einer den Aktuatorstift 9 lagernden Längsführung 14, wobei der von einem als äußere Schraubendruckfeder ausgebildeten Federmittel 15 in Ausfahrrichtung kraftbeaufschlagte Aktuatorstift 9 relativ zum Gehäuse 13 zwischen seiner eingefahrenen Halteposition gemäß 1 und seiner ausgefahrenen Arbeitsposition gemäß 7 hin und her verfährt. Zum Halten des Aktuatorstifts 9 in der Halteposition und zum Lösen des Aktuatorstifts 9 aus der Halteposition dient eine mit 16a bezeichnete Halte- und Lösevorrichtung.
Die Halte- und Lösevorrichtung 16a umfasst einen in Verfahrrichtung des Aktuatorstifts 9 und von diesem unabhängig verlagerbaren Sperrschieber 17 sowie ein den Sperrschieber 17 in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts 9 kraftbeaufschlagendes weiteres Federmittel 18, hier in Form einer zur äußeren Schraubendruckfeder 15 konzentrisch angeordneten inneren Schraubendruckfeder, deren Kraft in der Halteposition des Aktuatorstifts 9 etwa um den Faktor 1,5 größer als diejenige der äußeren Schraubendruckfeder 15 ist.
Der als zylindrischer Stift ausgebildete Sperrschieber 17 ist in einer am zweiten Ende 19 des Aktuatorstifts 9 verlaufenden und hier als Durchgangsbohrung ausgebildeten Längsbohrung 20 angeordnet und weist einen kreiskegelstumpfförmigen ersten Endabschnitt auf. Unter Einbeziehung von 3 dient der erste Endabschnitt als erste Stützfläche 21 für drei als Kugeln ausgebildete Sperrkörper 22, die in drei gleichmäßig über den Umfang des Aktuatorstifts 9 verteilten und die Längsbohrung 20 schneidenden Querbohrungen angeordnet sind. Die Querbohrungen bilden jeweils eine zweite Stützfläche 23 für die Kugeln 22, die sich an einer kreiskonusförmigen dritten Stützfläche 24 im Gehäuse 13 abstützen.
Wie aus 4 hervorgeht, sind die erste Stützfläche 21 am Sperrschieber 17 und die dritte Stützfläche 24 im Gehäuse 13 zur Verfahrrichtung des Aktuatorstifts 9 geneigt, und zwar in der Weise, dass sie in der Halteposition des Aktuatorstifts 9 einen sich in dessen Einfahrrichtung vergrößernden Abstand aufweisen. Durch diese geometrische Konstellation und aufgrund des Kraftverhältnisses der Schraubendruckfedern 15 und 18 wird der in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts 9 wirksame Kraftüberschuss der inneren Schraubendruckfeder 18 über den Sperrschieber 17 und die Kugeln 22 auf die zweiten Stützflächen 23 in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts 9 umgelenkt. Da die Kugeln 22 zwischen den Stützflächen 21, 23 und 24 beweglich eingespannt sind, kann diese Kraftumlenkung je nach Reibungsverhältnissen zum einen dazu führen, dass sich der Aktuatorstift 9 gemeinsam mit den Kugeln 22 selbsttätig, d. h. ohne Fremdeinwirkung durch den radialen Auslaufbereich 11 der Verschiebenut 8 weiterhin in Einfahrrichtung verlagert, so dass das erste Ende 10 des Aktuatorstifts 9 bereits kurz nach Verlassen der Verschiebenut 8 einen ausreichenden Sicherheitsabstand zum Zylinderflächenabschnitt 12 des Nockenstücks 4 einnimmt (siehe 2). Zusätzlich oder alternativ besteht jedoch in Abhängigkeit der gewählten Geometrie/Neigung der Stützflächen 21, 23 und 24 und den Reibungsverhältnissen an diesen sowie in Abhängigkeit der von den Schraubendruckfedern 15 und 18 ausgehenden Federkräfte auch die Möglichkeit, dass das weitere Einfahren des Aktuatorstifts 9 in der Halteposition durch Schwingungsanregung und/oder durch Rundlauffehler des Zylinderflächenabschnitts 12 im Betrieb der Brennkraftmaschine unterstützt bzw. initiiert wird.
Wie es weiterhin in den 6 und 7 erkennbar ist, umfasst die Halte- und Lösevorrichtung 16a eine von einem hier nicht dargestellten Steuergerät der Brennkraftmaschine ansteuerbare und als Elektrohubmagnet ausgebildete Betätigungsvorrichtung 25, die den Sperrschieber 17 zum Lösen des Aktuatorstifts 9 aus der Halteposition in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts 9 verlagert. Dabei werden die Kugeln 22 nicht mehr von der ersten Stützfläche 21 am Sperrschieber 17 abgestützt, so dass sich die Kugeln 22 in den Querbohrungen 23 in radial einwärtiger Richtung verlagern können und der durch die äußere Schraubendruckfeder 15 kraftbeaufschlagte Aktuatorstift 9 gemeinsam mit den Kugeln 22 in die in 7 dargestellte Arbeitsposition ausfährt.
Die Betätigungsvorrichtung 25 umfasst als wesentliche Bauteile ein am Gehäuse 13 befestigtes Magnetgehäuse 26, eine Elektrospule 27, eine elektrische Kontaktierung 28 sowie einen Anker 29. Der Sperrschieber 17 und der Anker 29 sind fest miteinander verbunden, indem der zweite Endabschnitt 30 des Sperrschiebers 17 in einer Ausnehmung 31 des Ankers 29 eingepresst ist. Der Anker 29 ist ferner mit einer Anflachung 32 versehen, die sicherstellt, dass in dem kegelspaltförmigen Raum zwischen dem Anker 29 und der den Anker 29 in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts 9 anziehenden Polfläche 33 befindliche Luft oder angesammeltes Öl in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts 9 entlang der Ankerführungsfläche 34 innerhalb der Elektrospule 27 entweichen kann.
Als Endanschlag für den Anker 29 ist ein im Gehäuse 13 befestigter Ring 35 mit einer Öffnung für den Sperrschieber 17 vorgesehen. Um in der Stellung des Ankers 29 gemäß 1 eine magnetische Anziehungskraft in Richtung der Polfläche 33 erzeugen zu können, ist der Ring 35 aus amagnetischem, d. h. nicht magnetisierbarem Werkstoff wie Kunststoff, Aluminium oder austenitischem Stahl gefertigt.
Eine weitgehende Entkopplung der Schraubendruckfedern 15 und 18 von Bauteilrotationen, die bei Einkopplung des Aktuatorstifts 9 in der Verschiebenut 8 über den Aktuatorstift 9 in die Stellvorrichtung 1a eingeleitet werden, wird durch eine stirnseitig des zweiten Endes 19 des Aktuatorstifts 9 angeordnete Gleitscheibe 36 und eine sich auf dem Ring 35 abstützende weitere Gleitscheibe 37 erzeugt. Während die äußere Schraubendruckfeder 15 auf der Gleitscheibe 36 und die innere Schraubendruckfeder 18 auf einem fest mit dem Sperrschieber 17 verbundenen Axialbund, hier in Form einer aufgepressten Hülse 38, jeweils einenends abgestützt sind, stützen sich beide Schraubendruckfedern 15 und 18 auf der weiteren Gleitscheibe 37 jeweils anderenends gemeinsam ab. Eine über den niedrigen Oberflächenreibwert der Gleitscheiben 36 und 37 hinausgehende rotative Entkopplung der weiteren Gleitscheibe 37 und des Rings 35 wird dadurch erzielt, dass der Ring 35 eine verhältnismäßig große Fase 39 und folglich eine geringe Kontaktfläche zur weiteren Gleitscheibe 37 aufweist.
In den 4 und 5 sind zwei Grenzstellungen, zwischen denen sich der Aktuatorstift 9 in der Halteposition aufhalten kann, dargestellt. In der Stellung gemäß 4 ist der Aktuatorstift 9 maximal ausgefahren. In Relation hierzu ist der Aktuatorstift 9 in der Stellung nach 5 um den mit h_A bezeichneten Hub maximal eingefahren, so dass sein erstes Ende 10 einen entsprechenden Abstand zum Zylinderflächenabschnitt 12 (siehe 2) aufweist. Der Hub h_A des Aktuatorstifts 9 in Einfahrrichtung korreliert mit dem Hub h_S des Sperrschiebers 17 in Ausfahrrichtung über den nachfolgend als Hubumkehrverhältnis bezeichneten Quotienten h_A/h_S. Dieser ergibt sich aus den Neigungen der ersten Stützfläche 21 am Sperrschieber 17 und der dritten Stützfläche 24 im Gehäuse 13. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erste Stützfläche 21 um α₁ = 5° und die dritte Stützfläche 24 um α₂ = 10° geneigt, so dass sich ein Hubumkehrverhältnis von nahezu 1 einstellt. Es ist offensichtlich, dass das Hubumkehrverhältnis mit zunehmender Neigungsdifferenz der Stützflächen 21 und 24 abnehmen würde.
In 5 ist ferner deutlich erkennbar, dass die dritte Stützfläche 24 im Gehäuse 13 in einen Axialabsatz mit einer parallel zur Gleitscheibe 36 verlaufenden Ringstirnfläche 40 übergeht. Diese Ringstirnfläche 40 dient als Endanschlag für die Gleitscheibe 36 in der Arbeitsposition des Aktuatorstifts 9 gemäß 7.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 1b stark vereinfacht dargestellt. Die Stellvorrichtung 1b unterscheidet sich von der zuvor im Detail erläuterten Stellvorrichtung 1a im wesentlichen dadurch, dass der Sperrschieber 17 den Aktuatorstift 9 an seinem zweiten Ende 19 umgreift, wobei in der Halteposition des Aktuatorstifts 9 die erste Stützfläche 21 am Sperrschieber 17 und die zweite Stützfläche 23 am Aktuatorstift 9 einen sich in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts 9 vergrößernden Abstand aufweisen. Gegenüber der Stellvorrichtung 1a weist die Stellvorrichtung 1b gewissermaßen eine Halte- und Lösevorrichtung 16b in kinematisch umgekehrter Anordnung auf, indem der Sperrschieber 17 nicht innerhalb, sondern außerhalb des Aktuatorstifts 9 und die Sperrkörper 22 axialfest im Gehäuse 13 angeordnet sind. Ein weiterer Unterschied betrifft die Anordnung des Federmittels 15 und des weiteren Federmittels 18 dahingehend, dass das den Aktuatorstift 9 kraftbeaufschlagende Federmittel 15 nicht am Gehäuse 13, sondern am Sperrschieber 17 abgestützt ist.

1 a, b: Stellvorrichtung
2: Ventiltrieb
3: Trägerwelle
4: Nockenstück
5: Nocken
6: Nocken
7: Gaswechselventil
8: Verschiebenut
9: Aktuatorstift
10: erstes Ende des Aktuatorstifts
11: Auslaufbereich der Verschiebenut
12: Zylinderflächenabschnitt
13: Gehäuse
14: Längsführung
15: Federmittel/äußere Schraubendruckfeder
16a, b: Halte- und Lösevorrichtung
17: Sperrschieber
18: weiteres Federmittel/innere Schraubendruckfeder
19: zweites Ende des Aktuatorstifts
20: Längsbohrung
21: erster Endabschnitt/erste Stützfläche am Sperrschieber
22: Sperrkörper/Kugel
23: Querbohrung/zweite Stützfläche am Aktuatorstift
24: dritte Stützfläche im Gehäuse
25: Betätigungsvorrichtung/Elektrohubmagnet
26: Magnetgehäuse
27: Elektrospule
28: Kontaktierung
29: Anker
30: zweiter Endabschnitt des Sperrschiebers
31: Ausnehmung des Ankers
32: Anflachung des Ankers
33: Polfläche
34: Ankerführungsfläche
35: amagnetischer Ring
36: Gleitscheibe
37: weitere Gleitscheibe
38: Axialbund/Hülse
39: Fase des Rings
40: Ringstirnfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 03/021612 A1 [0002]
- DE 102004021376 A1 [0003, 0035]
- DE 19611641 C1 [0005, 0035]

Claims

Stellvorrichtung (1a, 1b) mit einem Gehäuse (13) sowie einem im Gehäuse (13) gelagerten, relativ zum Gehäuse (13) aus einer eingefahrenen Halteposition in eine Arbeitsposition ausfahrbaren und von einem Federmittel (15) in Ausfahrrichtung kraftbeaufschlagten Aktuatorstift (9) zur Verstellung eines mit der Stellvorrichtung (1a, 1b) zusammenwirkenden Maschinenteils, das eine mit einem ersten Ende (10) des Aktuatorstifts (9) in dessen Arbeitsposition zusammenwirkende Verschiebenut (8) aufweist, die den Aktuatorstift (9) zurück in dessen Halteposition verlagert, wobei die Stellvorrichtung (1a, 1b) eine ansteuerbare Halte- und Lösevorrichtung (16a, 16b) zum Halten des Aktuatorstifts (9) in der Halteposition und zum Lösen des Aktuatorstifts (9) aus der Halteposition aufweist, gekennzeichnet durch die zumindest folgende Merkmale aufweisende Halte- und Lösevorrichtung (16a, 16b): – einen in Verfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) und von diesem unabhängig verlagerbaren Sperrschieber (17) sowie ein den Sperrschieber (17) in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) kraftbeaufschlagendes weiteres Federmittel (18); – eine am Sperrschieber (17) ausgebildete erste Stützfläche (21); – eine am Aktuatorstift (9) ausgebildete zweite Stützfläche (23); – eine im Gehäuse (13) ausgebildete dritte Stützfläche (24); – zumindest einen in der Halteposition des Aktuatorstifts (9) zwischen den Stützflächen (21, 23, 24) und auf diesen beweglich eingespannten Sperrkörper (22), wobei zwei der Stützflächen (21, 23, 24) derart zur Verfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) geneigt sind, dass der Sperrkörper (22) die zweite Stützfläche (23) am Aktuatorstift (9) in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) kraftbeaufschlagt; – und, zum Lösen des Aktuatorstifts (9) aus der Halteposition, eine ansteuerbare und den Sperrschieber (17) in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) verlagernde Betätigungsvorrichtung (25).
Stellvorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenteil als auf einer Trägerwelle (3) drehfest und längsverschiebbar angeordnetes Nockenstück (4) eines hubvariablen Ventiltriebs (2) einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
Stellvorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halteposition des Aktuatorstifts (9) die Kraft des weiteren Federmittels (18) stets größer als die Kraft des Federmittels (15) ist.
Stellvorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubumkehrverhältnis h_A/h_S von 0,5 bis 1 vorgesehen ist, wobei h_A der Hub des Aktuatorstifts (9) in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) und h_S der Hub des Sperrschiebers (17) in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) jeweils in der Halteposition des Aktuatorstifts (9) sind.
Stellvorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrkörper (22) als Kugel ausgebildet ist.
Stellvorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Stützflächen (21, 23, 24) rotationssymmetrisch zur Verfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) ausgebildet ist.
Stellvorrichtung (1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (25) als Elektrohubmagnet mit einem den Sperrschieber (17) betätigenden Anker (29) ausgebildet ist.
Stellvorrichtung (1a) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrschieber (17) und der Anker (29) fest miteinander verbunden sind.
Stellvorrichtung (1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halteposition des Aktuatorstifts (9) der Sperrschieber (17) den Aktuatorstift (9) an seinem zweiten Ende (19) umgreift, wobei die erste Stützfläche (21) am Sperrschieber (17) und die zweite Stützfläche (23) am Aktuatorstift (9) einen sich in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) vergrößernden Abstand aufweisen.
Stellvorrichtung (1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halteposition des Aktuatorstifts (9) der als zylindrischer Stift ausgebildete Sperrschieber (17) in einer am zweiten Ende (19) des Aktuatorstifts (9) verlaufenden Längsbohrung (20) und der Sperrkörper (22) in einer die Längsbohrung (20) schneidenden und die zweite Stützfläche (23) bildenden Querbohrung angeordnet sind, wobei die erste Stützfläche (21) am Sperrschieber (17) und die dritte Stützfläche (24) im Gehäuse (13) einen sich in Einfahrrichtung des Aktuatorstifts (9) vergrößernden Abstand aufweisen.
Stellvorrichtung (1a) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass drei als Kugeln ausgebildete Sperrkörper (22) und drei gleichmäßig über den Umfang des Aktuatorstifts (9) verteilte Querbohrungen (23), in denen die Kugeln (22) angeordnet sind, vorgesehen sind.
Stellvorrichtung (1a) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das als äußere Schraubendruckfeder ausgebildete Federmittel (15) und das als innere Schraubendruckfeder ausgebildete weitere Federmittel (18) konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die äußere Schraubendruckfeder (15) auf einer stirnseitig des zweiten Endes (19) des Aktua torstifts (9) angeordneten Gleitscheibe (36) und die innere Schraubendruckfeder (18) seitens des Aktuatorstifts (9) auf einem fest mit dem zylindrischen Stift (17) verbundenen Axialbund (38) jeweils einenends abgestützt sind.
Stellvorrichtung (1a) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Stützfläche (24) im Gehäuse (13) in einen Axialabsatz mit einer im wesentlichen parallel zur Gleitscheibe (36) verlaufenden Ringstirnfläche (40) übergeht.
Stellvorrichtung (1a) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubendruckfedern (15, 18) jeweils anderenends auf einer gehäusefesten weiteren Gleitscheibe (37) gemeinsam abgestützt sind.
Stellvorrichtung (1a) nach den Ansprüchen 7 und 14, gekennzeichnet durch einen zwischen der weiteren Gleitscheibe (37) und dem Anker (29) angeordneten Ring (35) aus amagnetischem Werkstoff.